聊一聊 C# 后台GC 到底是怎么回事?

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所属分类:.NET技术
摘要

写这一篇的目的主要是因为.NET领域内几本关于阐述GC方面的书,都是纯理论,所以懂得人自然懂,不懂得人也没法亲自验证,这一篇我就用 windbg + 源码 让大家眼见为实。


一:背景

写这一篇的目的主要是因为.NET领域内几本关于阐述GC方面的书,都是纯理论,所以懂得人自然懂,不懂得人也没法亲自验证,这一篇我就用 windbg + 源码 让大家眼见为实。

二:为什么要引入后台GC

1. 后台GC到底解决了什么问题

解决什么问题得先说有什么问题,我们知道 阻塞版GC 有一个显著得特点就是,在 GC 触发期间,所有的用户线程都被 暂停了,这里的 暂停 是一个统称,画图如下:

聊一聊 C# 后台GC 到底是怎么回事?

这种 STW(Stop The World) 模式相信大家都习以为常了,但这里有一个很大的问题,不管当前 GC 是临时代还是全量,还是压缩或者标记,all in 全冻结,这种简单粗暴的做法肯定是不可取的,也是 后台GC 引入的先决条件。

那 后台GC 到底解决了什么问题?

解决在 FullGC 模式下的 标记清除 回收期间,放飞用户线程。

虽然这是一个很好的 Idea,但复杂度绝对上了几个档次。

三:后台GC 详解

1. 后台 GC代码 骨架图

源码面前,了无秘密,在coreclr 项目的 garbage-collection.md 文件中,描述了 后台GC 的代码流程图。

      GarbageCollectGeneration()      {          SuspendEE();          garbage_collect();          RestartEE();      }            garbage_collect()      {          generation_to_condemn();          // decide to do a background GC          // wake up the background GC thread to do the work          do_background_gc();      }            do_background_gc()      {          init_background_gc();          start_c_gc ();                //wait until restarted by the BGC.          wait_to_proceed();      }            bgc_thread_function()      {          while (1)          {              // wait on an event              // wake up              gc1();          }      }            gc1()      {          background_mark_phase();          background_sweep();      }  

可以清楚的看到就是在做 标记清除 且核心逻辑都在 background_mark_phase() 函数中,实现了标记的三个阶段: 1.初始标记2.并发标记3.最终标记 , 其中 并发标记 阶段,用户线程是正常运行的,实现了将原来整个暂停 优化到了 2个小暂停。

2. 流程图分析

为了方便说明,将三阶段画个图如下:

聊一聊 C# 后台GC 到底是怎么回事?

特别声明:阶段2的重启是在 background_sweep() 方法中,而不是 最终标记(background_mark_phase) 阶段。

  1. 初始标记

这个阶段用户线程处于暂停状态,bgc 要做的事情就是从 线程栈终结器队列 中寻找用户根实现引用图遍历,然后再让所有用户线程启动,简化后的代码如下:

 void gc_heap::background_mark_phase() { 	dprintf(3, ("BGC: stack marking")); 	GCScan::GcScanRoots(background_promote_callback, 		max_generation, max_generation, 		&sc);  	dprintf(3, ("BGC: finalization marking")); 	finalize_queue->GcScanRoots(background_promote_callback, heap_number, 0);  	restart_vm(); }  

接下来怎么验证 阶段1 是暂停状态呢? 为了方便讲述,先上一段测试代码:

     internal class Program     {         static List<string> list = new List<string>();          static void Main(string[] args)         {             Debugger.Break();             for (int i = 0; i < int.MaxValue; i++)             {                 list.Add(String.Join(",", Enumerable.Range(0, 100)));                  if (i % 10 == 0) list.RemoveAt(0);             }         }     }  

然后用 windbg 在 background_mark_phase 函数下一个断点:bp coreclr!WKS::gc_heap::background_mark_phase 即可。

 0:009> bp coreclr!WKS::gc_heap::background_mark_phase 0:009> g Breakpoint 1 hit coreclr!WKS::gc_heap::background_mark_phase: 00007ff9`e7bf73f4 488bc4          mov     rax,rsp 0:008> !t -special                                                                                                             Lock    DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception    0    1     55d8 00000000006336B0    2a020 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 MTA (GC)     6    2     568c 0000000000662F40    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn (Finalizer)     8    4     5730 0000000000676A90    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn             OSID Special thread type         0 55d8 SuspendEE          5 5688 DbgHelper          6 568c Finalizer          8 5730 GC   

可以清楚的看到,0号线程显示了 SuspendEE 字样,表示此时所有托管线程处于冻结状态。

  1. 并发标记

这个阶段就是各玩各的,用户线程在正常执行,bgc在后台进一步标记,因为是并行,所以存在 bgc 已标记好的对象引用关系被 用户线程 破坏,所以 bgc 用 reset_write_watch 函数借助 windows 的内存页监控,目的就是把那些脏页找出来,在下一个阶段来修正,简化后的代码如下:

 void gc_heap::background_mark_phase() { 	disable_preemptive(true); 	     //脏页监控 	reset_write_watch(TRUE); 	revisit_written_pages(TRUE, TRUE);  	dprintf(3, ("BGC: handle table marking")); 	GCScan::GcScanHandles(background_promote, 		max_generation, max_generation, 		&sc); 	     disable_preemptive(false); }  

要想验证此时的用户线程是放飞的,可以在 revisit_written_pages 函数下一个断点即可,使用命令:bp coreclr!WKS::gc_heap::revisit_written_pages

 0:008> bp coreclr!WKS::gc_heap::revisit_written_pages 0:008> g coreclr!WKS::gc_heap::revisit_written_pages: 0:008> !t -special                                                                                                             Lock    DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception    0    1     55d8 00000000006336B0    2a020 Cooperative 000000000D1FD920:000000000D1FE120 000000000062d650 -00001 MTA     6    2     568c 0000000000662F40    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn (Finalizer)     8    4     5730 0000000000676A90    21220 Cooperative 0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn             OSID Special thread type         5 5688 DbgHelper          6 568c Finalizer          8 5730 GC    

看到没有,那个 SuspendEE 神奇的消失了,而且 0 号线程的 GC 模式也改成了 Cooperative,表示可允许操控 托管堆。

  1. 最终标记

等 bgc 在后台做的差不多了,就可以再来一次 SupendEE,将 并发标记 期间由用户线程造成的脏引用进行最终一次修正,修正的数据来源就是监控到的 Windows脏页,代码就不上了,我们聊下怎么去验证阶段二又回到了 SuspendEE 状态?可以在 background_sweep() 函数下一个断点, 命令: bp coreclr!WKS::gc_heap::background_sweep

 0:000> bp coreclr!WKS::gc_heap::background_sweep 0:000> g coreclr!WKS::gc_heap::background_sweep: 00007ff9`e7b7a2e0 4053            push    rbx 0:008> !t -special                                                                                                             Lock    DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception    0    1     55d8 00000000006336B0    2a020 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 MTA     6    2     568c 0000000000662F40    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn (Finalizer)     8    4     5730 0000000000676A90    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn (GC)             OSID Special thread type         5 5688 DbgHelper          6 568c Finalizer          8 5730 GC SuspendEE   

哈哈,可以看到那个 SuspendEE 又回来了。

3. 后台GC 只会在 fullGC 模式下吗?

这是最后一个要让大家眼见为实的问题,在gc触发期间,内部会维护一个 gc_mechanisms 结构体,其中就记录了当前 GC 触发的种种信息,可以用 windbg 把它导出来看看便知。

 0:008> x coreclr!*settings* 00007ff9`e7f82e90 coreclr!WKS::gc_heap::settings = class WKS::gc_mechanisms 0:008> dt coreclr!WKS::gc_heap::settings 00007ff9`e7f82e90    +0x000 gc_index         : 0xb3    +0x008 condemned_generation : 0n2    +0x00c promotion        : 0n1    +0x010 compaction       : 0n0    +0x014 loh_compaction   : 0n0    +0x018 heap_expansion   : 0n0    +0x01c concurrent       : 1    +0x020 demotion         : 0n0    +0x024 card_bundles     : 0n1    +0x028 gen0_reduction_count : 0n0    +0x02c should_lock_elevation : 0n0    +0x030 elevation_locked_count : 0n0    +0x034 elevation_reduced : 0n0    +0x038 minimal_gc       : 0n0    +0x03c reason           : 0 ( reason_alloc_soh )    +0x040 pause_mode       : 1 ( pause_interactive )    +0x044 found_finalizers : 0n1    +0x048 background_p     : 0n0    +0x04c b_state          : 0 ( bgc_not_in_process )    +0x050 allocations_allowed : 0n1    +0x054 stress_induced   : 0n0    +0x058 entry_memory_load : 0x49    +0x060 entry_available_physical_mem : 0x00000001`0a50d000    +0x068 exit_memory_load : 0  

condemned_generation=2 可知当前触发的是 2 代GC,原因是代满了 reason : 0 ( reason_alloc_soh )

四:总结

看的再多还不如实操一遍,如果觉得手工编译 coreclr 源码麻烦,可以考虑下 windbg,好了,本篇就聊这么多,希望对你有帮助。

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